Ti-43Al-6(Nb,Mo)-B合金的熱變形行為及組織性能研究.pdf

1、TiAl合金是一種新型輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料,具有密度低、高溫比強度和比模量高、高溫抗蠕變和抗氧化性能優(yōu)異等優(yōu)點,在航空航天和汽車發(fā)動機等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。然而TiAl合金室溫塑性低,高溫變形能力差,800℃以上抗氧化能力不足,這些因素制約了該合金的工程化應(yīng)用。高鈮TiAl合金是高溫高強TiAl合金發(fā)展的典范,而新型β型γ-TiAl合金具有優(yōu)異的高溫變形能力,拓寬了 TiAl合金的熱加工工藝窗口。本文圍繞高鈮TiAl合金 Ti-43Al-6N

2、b-1B和β型γ-TiAl合金Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B(at.％),對兩類合金的熱變形行為、熱加工技術(shù)、熱處理工藝、顯微組織和力學(xué)性能進行了系統(tǒng)的研究。
　　采用熱物理模擬手段,研究了兩類合金的熱變形行為,揭示了合金組織的演化規(guī)律以及變形量、變形溫度和應(yīng)變速率對合金流變應(yīng)力的影響機制。發(fā)現(xiàn)兩類合金的流變應(yīng)力都隨著變形溫度的升高和應(yīng)變速率的降低而降低。Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金的變形組織強烈地依賴于

3、變形量、變形溫度和應(yīng)變速率,而Ti-43Al-6Nb-1B合金的組織演化對應(yīng)變速率不敏感。兩類合金在不同的溫度區(qū)間均發(fā)生了復(fù)雜的相變和動態(tài)再結(jié)晶過程。通過對熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算分析,發(fā)現(xiàn)含B2/β相的Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金具有更低的硬化指數(shù)和熱變形激活能;建立了兩類合金的熱變形本構(gòu)方程,為后續(xù)熱塑性加工工藝參數(shù)的選擇以及設(shè)備噸位的確定提供了理論指導(dǎo)。
　　基于動態(tài)材料模型(DMM),建立了兩類合金的熱加工圖,并揭示

4、了工藝參數(shù)、組織演化和加工圖中功率耗散因子η之間的內(nèi)在聯(lián)系。發(fā)現(xiàn)在低溫高應(yīng)變速率區(qū),η值最低,合金發(fā)生開裂,而在高溫低應(yīng)變速率區(qū),η值最高,該區(qū)發(fā)生了充分的動態(tài)再結(jié)晶。Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B比Ti-43Al-6Nb-1B合金具有更寬的熱加工工藝窗口,主要是因為高溫b.c.c.結(jié)構(gòu)β相的引入,有利于組織的軟化并協(xié)調(diào)層片晶的變形,提高了高溫變形能力?；跓峒庸D并兼顧熱變形組織的二次加工變形能力,確定了兩類合金的最佳熱加工

5、工藝參數(shù)。
　　根據(jù)熱物理模擬實驗優(yōu)化的工藝參數(shù)和包套鍛造工藝的改進,成功地制備出大尺寸的優(yōu)質(zhì)TiAl合金鍛餅,兩類合金鍛餅的組織均勻性都較好,力學(xué)性能優(yōu)異。Ti-43Al-6Nb-1B合金的鍛態(tài)組織是由細(xì)小的γ晶、等軸的層片晶以及少量拉長的層片晶等組成的雙態(tài)組織,Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金的鍛態(tài)組織由86%左右的γ和11.7%的B2等動態(tài)再結(jié)晶細(xì)晶以及少量殘余層片晶組成。鍛態(tài)Ti-43Al-6Nb-1B合金具有

6、與常規(guī)高鈮TiAl合金同等優(yōu)異的力學(xué)性能,在室溫至750℃之間,拉伸強度保持在950MPa以上,室溫延伸率為0.8%。鍛態(tài)Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金室溫延伸率為0.4%,直到750℃,拉伸強度保持在900MPa以上,800℃開始出現(xiàn)超塑性延伸率。通過熱處理消除鍛態(tài)組織中 B2相,得到雙態(tài)組織,延伸率提高至0.8%。通過納米硬度測試,發(fā)現(xiàn)B2相在室溫下為脆性相,具有遠(yuǎn)高于γ相和α2相的硬度,納米硬度達(dá)到8.5GPa。提出

7、B2相對TiAl合金的低溫塑性不利。
　　研究了鍛態(tài)Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金在850℃-950℃,1×10-4-4×10-4s-1條件下的超塑性拉伸變形行為及其失效機制。發(fā)現(xiàn)在1×10-4s-1速率下,850℃、900℃和950℃的延伸率分別達(dá)到200%、300%和405%。此鍛態(tài)合金在900℃-950℃之間具備典型的低溫超塑性變形能力。細(xì)小均勻的鍛態(tài)組織,高溫下較軟的β相的存在,是該合金出現(xiàn)低溫超塑性變形行為

8、的主要因素。通過對斷裂試樣的顯微組織觀察,發(fā)現(xiàn)超塑性變形過程中,產(chǎn)生了空洞,且空洞的產(chǎn)生遠(yuǎn)在層片晶的分解以及γ和β晶粒的動態(tài)再結(jié)晶之后?？斩撮L大并相互連接形成空洞梁,空洞梁的橫向連接造成空洞失效,并導(dǎo)致超塑性變形試樣的斷裂。
　　研究了兩類鍛態(tài)合金的熱處理工藝,揭示了不同組織的熱處理工藝規(guī)則,并研究了組織與力學(xué)性能之間的關(guān)系。鍛態(tài)Ti-43Al-6Nb-1B合金在單一α相區(qū)進行1320℃/1h/FC熱處理得到全層片組織,經(jīng)過在α+

9、γ雙相區(qū)1250℃-1270℃/4h/FC熱處理即可得到雙態(tài)組織;鍛態(tài)Ti-43Al-4Nb-2Mo-0.5B合金的組織熱處理工藝具有特殊性,只有在α+β雙相區(qū)較高溫度(1320℃-1400℃等)下熱處理才能得到全層片組織,通過1320℃/1h+1240℃/4h/FC雙步法熱處理或者在Tα(≈1250℃)附近1250℃/4h/AC處理才能得到雙態(tài)組織。該鍛態(tài)合金的熱處理工藝特殊性,是由難擴散的強β相穩(wěn)定化元素 Mo引起的,因為 Mo提高

10、了γ相的高溫穩(wěn)定性和存在溫度。提出此鍛態(tài)合金的熱處理工藝,可以根據(jù)其主要的組織組成γ晶粒的合金成分進行制定。兩類合金鍛態(tài)組織的強度最高,雙態(tài)組織具有最佳的塑性,全層片組織的塑性和強度均較好。
　　通過“V”型缺口試樣三點抗彎試驗,對Ti-43Al-6Nb-1B合金不同組織的斷裂韌性和斷裂行為進行了研究,揭示了全層片組織韌化的機制,并建立了預(yù)測全層片組織裂紋擴展路徑和斷裂方式的模型。該合金的全層片組織具有最佳的斷裂韌性,KIC值達(dá)到